JP6663782B2

JP6663782B2 - Reference electrode with porous membrane

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Publication number: JP6663782B2
Application number: JP2016085388A
Authority: JP
Inventors: マルセル・ゼーフェンベルゲン; ヘールト・アルテナ; パウェル・ベンブノヴィッチ; マルテイン・フートブルート
Original assignee: Stichting Imec Nederland
Current assignee: Stichting Imec Nederland
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2036-04-21
Also published as: US20160320326A1; US10895548B2; EP3088879A1; EP3088879B1; JP2016212095A

Description

本発明は、電気化学センサの分野に関する。特に、例えば最小化のような、制限されたドリフトを有する参照電極に関する。 The present invention relates to the field of electrochemical sensors. In particular, it relates to a reference electrode having a limited drift, for example minimization.

電位差センサは、溶液中の化学的または生化学的な化合物を検出するために使用される。そのような電位差センサは、特定されるイオンの濃度と共に変化する電圧を生じる電気化学的センサである。ｐＨセンサは、そのような電位差センサの一例である。電位差センサは、通常、イオン選択性電極と参照電極とを含む。参照電極は、イオン選択性電極のための参照電位として使用される電位を有する。イオン選択性電極と参照電極との間の電位差が、イオン選択性電極が敏感である化合物の濃度の測定値である。重要な条件は、参照電圧が安定でかつ一定であることである。 Potentiometric sensors are used to detect chemical or biochemical compounds in solution. Such a potentiometric sensor is an electrochemical sensor that produces a voltage that varies with the concentration of the specified ion. A pH sensor is an example of such a potential difference sensor. Potentiometric sensors typically include an ion-selective electrode and a reference electrode. The reference electrode has a potential used as a reference potential for the ion-selective electrode. The potential difference between the ion-selective electrode and the reference electrode is a measure of the concentration of the compound to which the ion-selective electrode is sensitive. An important condition is that the reference voltage is stable and constant.

操作時、イオン選択性電極と共に参照電極が試験される溶液に浸される。適切な操作のために、参照電極の電位は溶液の成分に依存すべきでない。 In operation, a reference electrode along with an ion-selective electrode is immersed in the solution to be tested. For proper operation, the potential of the reference electrode should not depend on the components of the solution.

一般に使用されるタイプの参照電極は、塩化銀電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）である。この電極は、固定された塩素濃度（例えば３モルＫＣｌ）を有する貯蔵器と接触した場合、固定された電位を有する。そのような従来技術の参照電極の例が図１に示される。図１はＡｇ／ＡｇＣｌワイヤ１１０を含む従来技術の参照電極を示し、例えば３モルＫＣｌ（参照電極電解液）のような所定の塩素濃度を含む貯蔵器１２０に浸される。電解質ブリッジまたは多孔質セラミックプラグは、測定される必要がある溶液から、参照電解液を分離する。図１の例示の参照電極では、電解質ブリッジは、バルク溶液から内部の貯蔵器１２０を分離する多孔質フリット（塩橋）である。イオンはこの接合を通り抜けることができ、それゆえにイオンコンタクトが形成される。Ａｇ／ＡｇＣｌ電極の電位は、参照電解液中の塩素濃度に依存する。電解質ブリッジまたは多孔質セラミックプラグ１３０は、参照電極の液体とバルク溶液との間で塩素イオンが即座に移動するのを妨げる。もし参照電極が異なった塩素濃度の溶液に浸された場合、塩素イオンは電解質ブリッジを通って浸出する。参照電解液の体積に依存して、それらの浸出は参照電解液中の塩素濃度を変化させ、これにより参照電圧（ドリフト）を変化させる。図１の例では、貯蔵器は幾分大きいため、ドリフトは制限される。参照電圧を安定化する１つの方法は、参照電解液の体積を増やすことである。しかしながら、これは微細化された参照電圧では、定義によって電極の大きさが制限されるため、これは不可能である。 A commonly used type of reference electrode is a silver chloride electrode (Ag / AgCl). This electrode has a fixed potential when contacted with a reservoir having a fixed chlorine concentration (eg, 3 molar KCl). An example of such a prior art reference electrode is shown in FIG. FIG. 1 shows a prior art reference electrode including an Ag / AgCl wire 110, which is immersed in a reservoir 120 containing a predetermined chlorine concentration, such as 3 molar KCl (reference electrode electrolyte). The electrolyte bridge or porous ceramic plug separates the reference electrolyte from the solution that needs to be measured. In the example reference electrode of FIG. 1, the electrolyte bridge is a porous frit that separates the internal reservoir 120 from the bulk solution. Ions can pass through this junction, thus forming an ionic contact. The potential of the Ag / AgCl electrode depends on the chlorine concentration in the reference electrolyte. The electrolyte bridge or porous ceramic plug 130 prevents immediate migration of chloride ions between the reference electrode liquid and the bulk solution. If the reference electrode is immersed in a solution with a different chlorine concentration, the chloride ions will leach through the electrolyte bridge. Depending on the volume of the reference electrolyte, their leaching changes the chlorine concentration in the reference electrolyte, thereby changing the reference voltage (drift). In the example of FIG. 1, the drift is limited because the reservoir is somewhat larger. One way to stabilize the reference voltage is to increase the volume of the reference electrolyte. However, this is not possible with miniaturized reference voltages, as the definition limits the size of the electrodes.

微細化された参照電極は、一般には、フォトリソグラフィ技術またはスクリーン印刷技術により形成され、アガロースまたはポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐＨＥＭＡ）のようなハイドロゲルにより覆われる。Ｓｉｍｏｎｉｓらの ”Miniaturised reference electrodes for field-effect sensors compatible to silicon chip technology” Electrochimica Acta 51, volume 51, issue 5, 10 November 2005, 930-937頁により開発された例を図２に示す。図２は、シリコン層２２２と、それを覆うＳｉＯ_２層２２０と、それを覆うＡｇ／ＡｇＣｌ層２１８のスタックを含むプリント回路基板２１６を示す。Ａｇ／ＡｇＣｌ層２１８は、例えばアガロース（アガー）＋ＫＣｌまたはポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐＨＥＭＡ）＋ＫＣｌのような、ＫＣｌを含むハイドロゲル２１４により覆われる。ハイドロゲル層２１４は、ＰＶＣ層でシールされ、ＰＶＣ層はナフィオンまたはニトロセルロース層２１２により覆われる。 The miniaturized reference electrode is generally formed by a photolithography technique or a screen printing technique, and covered with a hydrogel such as agarose or polyhydroxyethyl methacrylate (pHEMA). FIG. 2 shows an example developed by Simonis et al., "Miniaturized reference electrodes for field-effect sensors compatible to silicon chip technology", Electrochimica Acta 51, volume 51, issue 5, 10 November 2005, pp. 930-937. FIG. 2 shows a printed circuit board 216 including a stack of a silicon layer 222, an overlying SiO ₂ layer 220, and an overlying Ag / AgCl layer 218. The Ag / AgCl layer 218 is covered by a hydrogel 214 containing KCl, such as, for example, agarose (Agar) + KCl or polyhydroxyethyl methacrylate (pHEMA) + KCl. The hydrogel layer 214 is sealed with a PVC layer, which is covered by a Nafion or nitrocellulose layer 212.

被覆されたハイドロゲル層２１４、２１０は、シール手段（例えばＯリング）によりその側壁でシールされる。シーリング２０８は、Ａｇ／ＡｇＣｌ層に対してシールされる。シーリング２０８の外側では、エポキシ樹脂２０４が提供され、これにより雰囲気からＡｇ／ＡｇＣｌ電極の外側（シーリング２０８とハイドロゲル２１４により覆われない部分）がスクリーニングされる。シリコーン２０６は、エポキシ樹脂２０４、シーリング２０８、およびナフィオンまたはニトロセルロース層２１２を部分的に覆うように適用される。電気コンタクト２０２が、Ａｇ／ＡｇＣｌ層２１８とコンタクトされ、電極２１８の電位の測定を可能にする。 The coated hydrogel layers 214, 210 are sealed on their side walls by sealing means (eg, O-rings). Sealing 208 is sealed against the Ag / AgCl layer. Outside the ceiling 208, an epoxy resin 204 is provided, which screens the outside of the Ag / AgCl electrode (the part not covered by the ceiling 208 and the hydrogel 214) from the atmosphere. Silicone 206 is applied to partially cover epoxy resin 204, sealing 208, and Nafion or nitrocellulose layer 212. An electrical contact 202 is contacted with the Ag / AgCl layer 218 to allow measurement of the potential of the electrode 218.

参照電解液の体積を増加することなく、小型化された参照電極の安定性を増加させることが好ましい。小型化された参照電極についての多くの研究は、参照電解液（例えばハイドロゲル）の成分に焦点を当て、それを膜で覆って塩素イオンの外部拡散を遅くしている。それらの努力とは別に、小型化された参照電極の安定性を改良する余地がいまだに存在する。 It is preferable to increase the stability of the miniaturized reference electrode without increasing the volume of the reference electrolyte. Much research on miniaturized reference electrodes has focused on the components of the reference electrolyte (eg, hydrogel), which has been covered with a membrane to slow out diffusion of chloride ions. Apart from those efforts, there is still room for improving the stability of miniaturized reference electrodes.

本発明の具体例の目的は、例えば最小化のように制限されたドリフトを有する参照電極の提供を目的とする。 It is an object of embodiments of the present invention to provide a reference electrode having a limited drift, eg, minimization.

上記目的は、本発明にかかる方法およびデバイスにより達成される。 The above objective is accomplished by a method and device according to the present invention.

第１の形態では、本発明は、イオン選択性電極と共に、操作において、テストするためにバルク溶液に浸され、検出されるイオンの濃度を測定する、例えば電圧のような電気信号を形成する参照電極を提供する。本発明にかかる参照電極は、電解液で満たされた貯蔵器の体積を規定する貯蔵器壁を有する貯蔵器と、電解液と接触する、貯蔵器の中の電極とを含む貯蔵器は、例えば底、側壁、または可能であれば上壁のような少なくとも貯蔵器の１つの壁の、少なくとも１つの細孔を除いて閉じられ、少なくとも１つの細孔は、電解液で満たされて、貯蔵器中の電解液と参照電極が浸されるバルク溶液との間のイオンコンタクトが可能になるように適用される。 In a first form, the present invention, in conjunction with an ion-selective electrode, is immersed in a bulk solution to test in operation, and measures the concentration of ions detected, forming an electrical signal such as a voltage reference. Provide electrodes. The reference electrode according to the invention is a reservoir comprising a reservoir having a reservoir wall defining the volume of the reservoir filled with the electrolyte, and an electrode in the reservoir which is in contact with the electrolyte, e.g. The bottom, side walls, or possibly at least one wall of the reservoir, such as the top wall, is closed except for at least one pore, the at least one pore being filled with an electrolyte, It is adapted to allow ionic contact between the electrolyte therein and the bulk solution in which the reference electrode is immersed.

本発明の具体例の長所は、参照電極がバルク溶液に浸された場合に、参照電極の貯蔵器中の電解液がバルク溶液とイオンコンタクトすることである。本発明の具体例の長所は、細孔が、電解液とバルク溶液との間のイオンコンタクトを可能にするとともに、電解液から外にイオンが拡散するのを制限することである。本発明の具体例の特徴は、少なくとも１つの細孔の存在を除いて貯蔵器が閉じられ、これにより電解液から外へのイオンの拡散を制限することである。 An advantage of embodiments of the present invention is that the electrolyte in the reservoir of the reference electrode makes ionic contact with the bulk solution when the reference electrode is immersed in the bulk solution. An advantage of embodiments of the present invention is that the pores allow for ionic contact between the electrolyte and the bulk solution and limit diffusion of ions out of the electrolyte. A feature of embodiments of the present invention is that the reservoir is closed except for the presence of at least one pore, thereby limiting the diffusion of ions out of the electrolyte.

本発明の具体例にかかる参照電極では、一方では細孔の断面積Ａと電解液中のイオンの拡散係数Ｄとの積と、一方では細孔長さＬと貯蔵器体積Ｖｒｅｓとの積との間の比は、１より小さい。
（Ｄ＊Ａ）／（Ｌ＊Ｖｒｅｓ）＜１ In the reference electrode according to the embodiment of the present invention, on the one hand, the product of the cross-sectional area A of the pore and the diffusion coefficient D of the ions in the electrolyte, and on the other hand, the product of the pore length L and the reservoir volume Vres. Is less than one.
(D * A) / (L * Vres) <1

本発明の具体例の長所は、細孔を通るイオンの拡散が、適切な細孔寸法を選択することにより制限できることである。本発明の具合例の長所は、本発明の具体例にかかる参照電極の安定性が、適切な体積の貯蔵器と組み合わせた適切な細孔寸法を選択することにより設計できることである。 An advantage of embodiments of the present invention is that the diffusion of ions through the pore can be limited by choosing an appropriate pore size. An advantage of embodiments of the present invention is that the stability of the reference electrode according to embodiments of the present invention can be designed by selecting the appropriate pore size in combination with the appropriate volume reservoir.

本発明の具体例にかかる参照電極では、貯蔵器の壁は、基板、基板の上に配置された側壁、および側壁の上に配置されたキャップを含み、基板、側壁およびキャップは、共に貯蔵器を取り囲む。本発明の具体例では、側壁は例えば半導体材料のような一片の材料から形成されて、その中に孔がエッチングされ、その一片の材料は基板上に配置されても良い。孔の壁は、貯蔵器の側壁を形成する。特別な具体例では、基板および側壁は一体として形成されても良く、即ち同じ塊の材料から形成しても良い。本発明の具体例の長所は、参照電極が、標準のエッチング技術と微細加工技術を用いて形成できることである。 In a reference electrode according to an embodiment of the present invention, the reservoir wall includes a substrate, a sidewall disposed over the substrate, and a cap disposed over the sidewall, wherein the substrate, the sidewall, and the cap together comprise a reservoir. Surround. In embodiments of the present invention, the sidewall may be formed from a piece of material, such as a semiconductor material, with holes etched therein, and the piece of material may be disposed on a substrate. The wall of the hole forms the side wall of the reservoir. In particular embodiments, the substrate and the sidewalls may be formed integrally, ie, from the same bulk material. An advantage of embodiments of the present invention is that the reference electrode can be formed using standard etching and microfabrication techniques.

本発明の具体例では、少なくとも１つの細孔は基板中に配置されても良い。本発明のそのような具体例の長所は、細孔が標準的なエッチング技術を用いて作製できることである。 In embodiments of the present invention, at least one pore may be located in the substrate. An advantage of such an embodiment of the present invention is that the pores can be created using standard etching techniques.

本発明のそれらの具体例または代わりの具体例では、少なくとも１つの細孔は、側壁中に位置しても良い。本発明の具体例の特徴は、そのような細孔が、エッチング技術またはモールディング技術を用いて作製できることである。 In those or alternative embodiments of the invention, the at least one pore may be located in the sidewall. It is a feature of embodiments of the present invention that such pores can be created using etching or molding techniques.

本発明の上記具体例または代わりの具体例では、少なくとも１つの細孔は、キャップの中に位置しても良いことである。本発明のそのような具体例の特徴は、少なくとも１つの細孔が、エッチング技術またはモールディング技術を用いて作製できることである。 In the above or alternative embodiments of the invention, the at least one pore may be located in the cap. A feature of such an embodiment of the present invention is that at least one pore can be created using an etching technique or a molding technique.

本発明の具体例では、少なくとも１つの細孔は、蛇行構造を有する。本発明の具体例の長所は、この方法で、細孔の長さが増えることである。細孔の長さの拡張は、電解液からの拡散の減少となる。このように、貯蔵器の体積の増加なしに、参照電極の安定性を増加させることができる。蛇行する細孔の増加した長さのおかげで、貯蔵器、そしてこれにより参照電極の体積の減少も可能となり、一方で蛇行した細孔の無いセンサと比較して参照センサの安定性を維持または改良できる。 In an embodiment of the present invention, at least one of the pores has a meandering structure. An advantage of embodiments of the present invention is that in this way the pore length is increased. Increasing the length of the pores results in reduced diffusion from the electrolyte. In this way, the stability of the reference electrode can be increased without increasing the volume of the reservoir. Thanks to the increased length of the meandering pores, it is also possible to reduce the volume of the reservoir, and thus the reference electrode, while maintaining the stability of the reference sensor compared to a sensor without the meandering pores or Can be improved.

本発明の具体例では、電極はＡｇＣｌから形成されても良い。代わりに、電極は、金属酸化物または金属から形成されても良い。本発明の具体例の長所は、イオンセンサ（例えばｐＨセンサ）として、参照電極の電極を使用できることである。酸化ルテニウム（ＲｕＯ）や酸化イリジウム（ＩｒＯ）のような金属酸化物は、ｐＨ感度が高く、それゆえに同じ材料が、参照電極と同様にｐＨイオンセンサにも使用できる。ｐＨ感度の高い金属酸化物の場合、電解液は例えばｐＨ７のような一定のｐＨを有するｐＨ溶液である。本発明の具体例の長所は、参照電極の長時間安定性が、電極をＡｇＣｌから形成し、電解液を塩素溶液とする場合より、電極を金属酸化物から形成した場合の方が良好であることである。 In embodiments of the present invention, the electrodes may be formed from AgCl. Alternatively, the electrodes may be formed from metal oxides or metals. An advantage of embodiments of the present invention is that a reference electrode can be used as an ion sensor (eg, a pH sensor). Metal oxides such as ruthenium oxide (RuO) and iridium oxide (IrO) have high pH sensitivity, and therefore the same materials can be used for pH ion sensors as well as reference electrodes. In the case of a metal oxide having a high pH sensitivity, the electrolytic solution is a pH solution having a constant pH such as pH7. An advantage of embodiments of the present invention is that the long-term stability of the reference electrode is better when the electrode is formed from a metal oxide than when the electrode is formed from AgCl and the electrolyte is a chlorine solution. That is.

本発明の具体例にかかる参照電極では、電解液はハイドロゲルでも良い。細孔を通るハイドロゲルの拡散は、水系の溶液の拡散より遅いため、ハイドロゲルの使用が有利である。 In the reference electrode according to the embodiment of the present invention, the electrolyte may be a hydrogel. The use of hydrogels is advantageous because diffusion of the hydrogel through the pores is slower than diffusion of aqueous solutions.

第２の形態では、本発明は、参照電極を作製する方法を提供する。本発明は、貯蔵器を形成する工程を含み、貯蔵器は細孔を含み、これにより、貯蔵器は１つの側で開いている工程と、電解液で貯蔵器を充填する工程と、その後に、貯蔵器を閉じる工程とを含む。本発明の具体例の長所は、貯蔵器に電解液を充填する場合に、毛細管力により細孔に電解液が充填されることである。充填された多孔質は、参照電極がバルク溶液の中に浸された場合に、電解液とバルク溶液との間の良好なイオンコンタクトを保証する。 In a second aspect, the present invention provides a method for making a reference electrode. The present invention includes the step of forming a reservoir, the reservoir including pores, whereby the reservoir is open on one side, filling the reservoir with the electrolyte, and thereafter. Closing the reservoir. An advantage of embodiments of the present invention is that when filling the reservoir with electrolyte, the pores are filled with electrolyte by capillary forces. The filled porosity ensures good ionic contact between the electrolyte and the bulk solution when the reference electrode is immersed in the bulk solution.

本発明の具体例では、細孔を含む貯蔵器を作製する工程は、深い反応性イオンエッチングの手段により、基板の第１表面に細孔をエッチングする工程、少なくとも細孔の内側に保護層を適用する工程であって、保護層は第１表面から遠い基板の第２表面を覆わない工程、基板の第２表面に水酸化カリウム（ＫＯＨ）を適用する工程、およびその後に、細孔を開けるために保護層を除去する工程、を含む。本発明のそのような具体例では、ＫＯＨエッチングのみを用いて良く形成された細孔を得るために、基板が薄すぎる場合であっても、良く形成された細孔が実現できるという長所を有する。 According to an embodiment of the present invention, the step of fabricating the reservoir containing the pores comprises the steps of: etching the pores on the first surface of the substrate by means of deep reactive ion etching; Applying, wherein the protective layer does not cover the second surface of the substrate far from the first surface, applying potassium hydroxide (KOH) to the second surface of the substrate, and then opening the pores Removing the protective layer. Such an embodiment of the present invention has the advantage that well-formed pores can be realized even when the substrate is too thin, in order to obtain well-formed pores using only KOH etching. .

代わりに、細孔を含む貯蔵器を作製する工程は、基板を得る工程、および側壁にも細孔が存在するように、基板上に側壁をシールする工程を含む。細孔は、基板上にシールする前に、例えばモールディングまたはエッチングにより側壁上に形成されても、または側壁の形状および基板上のその位置により、例えば側壁材料と基板との間のような側壁中に形成されても良い。本発明のそのような具体例の長所は、基板に向かって側壁をシールすることにより、細孔が形成されることである。貯蔵器の壁または基板のいずれかの上に浅い微細流路チャネル（例えば、エッチングにより）形成する工程は、貯蔵器の壁に細孔を形成するために十分である。基板中に細孔をエッチングする工程と比較して、この場合、細孔の深いエッチングは必要とされない。さらに、この方法は、側壁中に蛇状の細孔を形成することを可能にする。 Alternatively, making the reservoir containing the pores involves obtaining the substrate and sealing the sidewalls on the substrate so that the pores are also present on the sidewalls. The pores may be formed on the sidewall before sealing on the substrate, for example by molding or etching, or depending on the shape of the sidewall and its location on the substrate, such as in the sidewall such as between the sidewall material and the substrate. May be formed. An advantage of such an embodiment of the present invention is that pores are formed by sealing the sidewalls toward the substrate. The step of forming a shallow microchannel (either by etching) on either the reservoir wall or the substrate is sufficient to form pores in the reservoir wall. Compared to the process of etching the pores in the substrate, deep etching of the pores is not required in this case. In addition, this method makes it possible to form serpentine pores in the side walls.

本発明の具体例にかかる方法では、貯蔵器を閉じる工程は、貯蔵器の上にキャップを配置またはシールする工程、またはグラブトップ（glob top）の液滴またはエピタキシの手段により貯蔵器を封止する工程、でも良い。 In a method according to an embodiment of the invention, the step of closing the reservoir comprises placing or sealing a cap on the reservoir, or sealing the reservoir by means of glob top droplets or epitaxy. Process.

第３の形態では、本発明は、バルク溶液中のイオン濃度を検出するためのイオンセンサを提供する。イオンセンサは、本発明の第１の形態のいずれかの具体例にかかる参照電極、イオンを測定するためにイオン選択性である第１電極、および電解液中の参照イオンに対して、または測定されるイオンとは異なるイオンに対してイオン選択性の第２電極、を含む。第１電極と第２電極は、イオンセンサがバルク溶液中に浸された場合に、バルク溶液と直接コンタクトするように適用される。イオンセンサは、更に、バルク溶液中のイオン濃度の測定値として第１電極と第２電極との間の第１電位差を特定するための、および参照電極のドリフトを補償するために、第２電極と参照電極との間の第２電位差を用いて、第１電極と参照電極との間のこの第１電位差を補正するための、コントローラを含んでも良い。 In a third aspect, the present invention provides an ion sensor for detecting an ion concentration in a bulk solution. The ion sensor comprises a reference electrode according to any embodiment of the first aspect of the present invention, a first electrode that is ion-selective for measuring ions, and a reference ion in an electrolyte. A second electrode that is ion selective for ions different from the ions to be performed. The first electrode and the second electrode are adapted to make direct contact with the bulk solution when the ion sensor is immersed in the bulk solution. The ion sensor further includes a second electrode for determining a first potential difference between the first electrode and the second electrode as a measurement of the ion concentration in the bulk solution, and for compensating for drift of the reference electrode. A controller may be included for correcting the first potential difference between the first electrode and the reference electrode using the second potential difference between the first electrode and the reference electrode.

本発明の具体例にかかるイオンセンサの長所は、参照電極のドリフトが、参照電極中の電解液の体積を増やすことなく改良できることである。本発明の具体例の長所は、参照電極中の電解液の体積がマイクロリットルのオーダであることである。本発明の具体例の長所は、参照電極のドリフトが、バルクと直接コンタクトした第２電極の上での測定の手段により、直接測定され、補償されることである。これは、参照電極中の電解液の体積をさらに減らすことを可能にする。本発明の具体例では、第２電極は、参照イオンに対してイオン選択的である。この場合、第２電極と参照電極との間の電位差は、参照電極中の電解溶液中の参照イオンと、バルク溶液中の参照イオンとの間の濃度差のための測定である。 An advantage of the ion sensor according to embodiments of the present invention is that the drift of the reference electrode can be improved without increasing the volume of the electrolyte in the reference electrode. An advantage of embodiments of the present invention is that the volume of electrolyte in the reference electrode is on the order of microliters. An advantage of embodiments of the present invention is that the drift of the reference electrode is directly measured and compensated for by means of measurement on a second electrode in direct contact with the bulk. This makes it possible to further reduce the volume of the electrolyte in the reference electrode. In an embodiment of the invention, the second electrode is ion-selective with respect to the reference ion. In this case, the potential difference between the second electrode and the reference electrode is a measure for the concentration difference between the reference ions in the electrolyte solution in the reference electrode and the reference ions in the bulk solution.

この濃度差は、ドリフトのための駆動力である。それゆえに、本発明の具体例の長所は、第２電極と残照電極との間の電位差が、バルク溶液中にイオンセンサを浸した場合に、参照電極が経験しようとしているドリフトのための測定値であることである。電位差が０Ｖに到達した場合に、参照センサはバルク溶液と平衡し、それ以上ドリフトは期待されない。小型化されたイオンセンサは、従来の参照電極が大きすぎて硬すぎるために適合しない応用に使用できる。イオンセンサは、例えば最小化でき、汗パッチで使用することができ、または素早い傷のモニタリングのために着ずの近くに配置でき、またはおしめと一体化できる。本発明の具体例の長所は、参照電極のドリフトが、第２電極と参照電極との間の電位差を測定することにより補償できることであり、参照電極は、第１電極に関する電位差を測定するために使用される参照電極と同じである。 This density difference is the driving force for drift. Therefore, an advantage of embodiments of the present invention is that the potential difference between the second electrode and the afterglow electrode is a measure of the drift that the reference electrode is going to experience when the ion sensor is immersed in the bulk solution. It is to be. When the potential difference reaches 0 V, the reference sensor equilibrates with the bulk solution and no further drift is expected. Miniaturized ion sensors can be used in applications where conventional reference electrodes are too large and too rigid to fit. The ion sensor can be, for example, minimized, used in a sweat patch, or placed near the wrist for quick wound monitoring, or integrated with the diaper. An advantage of embodiments of the present invention is that the drift of the reference electrode can be compensated by measuring the potential difference between the second electrode and the reference electrode, and the reference electrode is used to measure the potential difference with respect to the first electrode. Same as the reference electrode used.

第２電極は、参照イオンのためにイオン選択的でも良い。第２電極と参照電極の双方は、例えば同じ材料から形成されるが、しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。イオンセンサがバルク溶液中に浸された場合、参照電極中の電解液中の参照イオンの濃度は、参照イオンがバルク溶液中に拡散するため、変化するかもしれない。この濃度の変化は、参照電極の電圧をドリフトさせる。このドリフトは、バルク溶液と直接コンタクトしている第２電極で補償できる。 The second electrode may be ion selective for reference ions. Both the second electrode and the reference electrode are formed, for example, from the same material, but the invention is not limited to this. If the ion sensor is immersed in the bulk solution, the concentration of the reference ions in the electrolyte in the reference electrode may change as the reference ions diffuse into the bulk solution. This change in concentration causes the voltage of the reference electrode to drift. This drift can be compensated for by the second electrode in direct contact with the bulk solution.

本発明の特別で好ましい形態が、添付の独立請求項および従属請求項に述べられる。従属請求項の特徴は、適当に、独立請求項の特徴と組み合わせても良く、他の従属請求項の特徴と組み合わせても良く、単に請求項に記載された通りではない。 Particular and preferred aspects of the invention are set out in the accompanying independent and dependent claims. Features of the dependent claims may be combined with features of the independent claims and with features of other dependent claims as appropriate and are not merely as set forth in the claims.

本発明のそれらの形態および他の形態は、以下に記載された具体例から明らかであり、これを参照することにより明瞭になる。 These and other aspects of the invention are apparent from and will be elucidated with reference to the embodiments described hereinafter.

従来技術の参照電極を示す。1 shows a prior art reference electrode. 小型化された従来技術の参照電極を示す。1 shows a miniaturized prior art reference electrode. 小型化された参照電極と３つの裸のＡｇＣｌ電極を含む従来技術のイオンセンサの写真を示す。1 shows a photograph of a prior art ion sensor including a miniaturized reference electrode and three bare AgCl electrodes. 参照電極溶液中の塩素濃度と異なる塩素濃度を有する溶液に浸した場合の、本発明の具体例にかかる参照電極のドリフトと、図３の参照電極のドリフトとを示す。3 shows a drift of the reference electrode according to the embodiment of the present invention and a drift of the reference electrode of FIG. 3 when immersed in a solution having a chlorine concentration different from the chlorine concentration in the reference electrode solution. 参照電極と２つの裸の電極とを含む、本発明の具体例にかかるイオンセンサの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an ion sensor according to an embodiment of the present invention, including a reference electrode and two bare electrodes. 本発明の具体例にかかる基板中に細孔を有する参照電極の模式図を示す。FIG. 2 shows a schematic view of a reference electrode having pores in a substrate according to an embodiment of the present invention. （ａ）は本発明の具体例にかかる側壁中に細孔を有する参照電極の模式的な側面図であり、（ｂ）は本発明の具体例にかかる蛇行した細孔を有する参照電極の模式的な上面図である。(A) is a schematic side view of a reference electrode having pores in a side wall according to a specific example of the present invention, and (b) is a schematic view of a reference electrode having meandering pores according to a specific example of the present invention. FIG. 本発明の具体例にかかる参照電極を得るための本発明の具体例にかかる処理工程を示す。4 shows a process according to an embodiment of the present invention for obtaining a reference electrode according to an embodiment of the present invention. （ａ）は本発明の具体例にかかる、プリント回路基板を含む参照電極の模式図である。（ｂ）は（ａ）に模式的に示された参照電極の実際の実施の２つの写真、参照電極の上面図および底面図が示される。（ｃ）は基板中に細孔を得るための本発明の具体例にかかる処理工程を示す。(A) is a schematic diagram of a reference electrode including a printed circuit board according to a specific example of the present invention. (B) shows two photographs of an actual implementation of the reference electrode schematically shown in (a), a top view and a bottom view of the reference electrode. (C) shows a processing step according to a specific example of the present invention for obtaining pores in the substrate. 本発明の具体例にかかる参照電極のドリフトを示す。具体例の１つでは、参照電極はＩｒＯｘから形成され、他の具体例では電極はＡｇＣｌから形成される。4 shows a drift of a reference electrode according to an embodiment of the present invention. In one embodiment, the reference electrode is formed from IrOx, and in another embodiment, the electrode is formed from AgCl. 本発明の具体例にかかる参照電極の時間の関数の、電解液濃度の変化を示す。異なる曲線は、異なる細孔サイズを有する参照電極に対応する。4 shows the change in electrolyte concentration as a function of time for a reference electrode according to an embodiment of the present invention. Different curves correspond to reference electrodes having different pore sizes.

図面は、単に模式的であり限定的ではない。図面では、図示目的のために、要素の幾つかのサイズは誇張され、縮尺通りには描かれない。 The drawings are merely schematic and are non-limiting. In the drawings, the size of some of the elements may be exaggerated and not drawn on scale for illustrative purposes.

請求項中の参照符号は、範囲を限定するものと解釈すべきではない。 The reference signs in the claims shall not be construed as limiting the scope.

本発明は、特定の具体例に関して、所定の図面を参照しながら記載されるが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求項によってのみ限定される。記載された図面は単に模式的であり、限定的ではない。図面において、要素の幾つかの大きさは、記載目的で、誇張され、縮尺通りには描かれない。寸法および相対寸法は、本発明の実施のための、実際の縮尺には対応していない。 The present invention will be described with respect to particular embodiments and with reference to certain drawings but the invention is not limited thereto but only by the claims. The drawings described are only schematic and are non-limiting. In the drawings, the size of some of the elements may be exaggerated and not drawn on scale for illustrative purposes. The dimensions and the relative dimensions do not correspond to actual reductions to practice of the invention.

記載や請求項中の、第１、第２等の用語は、類似の要素の間で区別するために使用され、順序付けや他の方法で、時間的および空間的のいずれかの順序を表す必要は無い。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された開示の具体例は、ここに記載や図示されたものと異なる順序によっても操作できることを理解すべきである。 The terms first, second and the like in the description and in the claims, are used for distinguishing between similar elements and, in ordering or otherwise, denoting an order, either temporal or spatial. There is no. It is to be understood that the terms so used may be interchanged under appropriate circumstances, and that the embodiments of the disclosure described herein may be operated in a different order than those described and illustrated herein. is there.

また、記載や請求項中の、上、下、上に、下に等の用語は、記載目的のために使用され、相対的な位置を示す必要はない。そのように使用された用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに開示された具体例は、ここに記載や図示されたものと異なる位置でも操作できることを理解すべきである。 Also, the terms top, bottom, over, under and the like in the description and the claims are used for descriptive purposes and need not indicate relative positions. It is to be understood that the terms so used may be interchanged under appropriate circumstances, and that the embodiments disclosed herein may be operated in locations other than those described and illustrated herein.

請求項で使用される「含む（comprising）」の用語は、それ以降に列挙される手段に限定されるように解釈すべきではなく、他の要素または工程を排除しない。このように、言及された特徴、数字、工程、または成分の特定は、言及されたままに解釈され、１またはそれ以上の他の特徴、数字、工程、または成分、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除してはならない。このように、「手段ＡおよびＢを含むデバイス」の表現の範囲は、手段ＡとＢのみを含む方法に限定されるべきではない。本発明では、単にデバイスに関連した構成がＡとＢであることを意味する。 The word "comprising", used in the claims, should not be interpreted as being restricted to the means listed thereafter; it does not exclude other elements or steps. Thus, the identification of a referenced feature, number, step, or component is to be interpreted as such, and the presence or presence of one or more other features, numbers, steps, or components, or combinations thereof. The addition must not be ruled out. Thus, the scope of the expression "device including means A and B" should not be limited to a method including only means A and B. In the present invention, this simply means that the configurations related to the device are A and B.

この明細書を通じて参照される「一の具体例（one embodiment）」または「ある具体例（an embodiment）」は、この具体例に関係して記載された特定の長所、構造、または特徴は、本発明の少なくとも１つの具体例に含まれることを意味する。このように、この明細書を通して多くの場所の「一の具体例（one embodiment）」または「ある具体例（an embodiment）」の語句の表現は、同じ具体例を表す必要はなく、表しても構わない。更に、特定の長所、構造、または特徴は、この開示から当業者に明らかなように、１またはそれ以上の具体例中で適当な方法で組み合わせることができる。 “One embodiment” or “an embodiment” referred to throughout this specification may refer to particular advantages, structures, or features described in connection with this example. It is meant to be included in at least one embodiment of the invention. Thus, throughout this specification, the phrase "one embodiment" or "an embodiment" in many places need not represent the same embodiment; I do not care. Furthermore, the particular advantages, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments, as will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.

同様に、本発明の例示的な具体例の開示の中において、開示を合理化し、１またはそれ以上の様々な発明の形態の理解を助ける目的で、本発明の様々な長所は、時には１つの具体例、図面、またはその開示中にまとめられることを評価すべきである。しかしながら、この開示の方法は、請求される発明がそれぞれの請求項に記載されたものより多くの特徴を必要とすることを意図して表されていると解釈すべきではない。むしろ、以下の請求項が表すように、発明の態様は、１つの先に記載された具体例の全ての長所より少なくなる。このように、詳細な説明に続く請求項は、これにより詳細な説明中に明確に含まれ、それぞれの請求項は、この発明の別々の具体例としてそれ自身で成立する。 Similarly, for the purpose of streamlining the disclosure and assisting in understanding one or more various aspects of the invention in the disclosure of exemplary embodiments of the invention, the various advantages of the present invention will sometimes It should be appreciated that they are incorporated into the examples, drawings, or disclosure thereof. However, this method of disclosure is not to be construed as an indication that the claimed invention requires more features than those recited in each claim. Rather, as the following claims reflect, inventive aspects lie in less than all features of a single foregoing described embodiment. Thus, the claims following the detailed description are hereby expressly incorporated into this detailed description, with each claim standing on its own as a separate embodiment of this invention.

更に、ここで記載された幾つかの具体例は幾つかの特徴で、他の具体例に含まれる以外の特徴を含み、異なった具体例の長所の組み合わせは、本発明の範囲に入ることを意味し、当業者に理解されるように、異なった具体例を形成する。例えば、以下の請求項では、請求された具体例のいくつかは、他の組み合わせにおいても使用することができる。 Furthermore, some of the embodiments described herein are some features, including features not included in other embodiments, and combinations of advantages of different embodiments are within the scope of the invention. Means and forms different embodiments, as will be appreciated by those skilled in the art. For example, in the following claims, some of the claimed embodiments can be used in other combinations.

ここで与えられる開示において、多くの特別な細部が示される。しかしながら、本発明の具体例はそれらの特別な細部無しに実施できることを理解すべきである。他の例では、公知の方法、構造、および技術は、この記載の理解をわかりにくくしないために、詳細には示されていない。 In the disclosure provided herein, numerous specific details are set forth. However, it should be understood that embodiments of the invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known methods, structures and techniques have not been shown in detail in order not to obscure an understanding of this description.

本発明の具体例において電極の電圧について言及された場合、ドリフトの無い大きな参照電極に関する電極の電圧が言及される。 When reference is made to electrode voltages in embodiments of the present invention, reference is made to electrode voltages for large reference electrodes without drift.

本発明の具体例において「裸の電極（a bare electrode）」が言及された場合、バルク溶液に浸された場合に、バルク溶液と直接コンタクトする電極が言及される。 When reference is made to "a bare electrode" in embodiments of the present invention, an electrode that is in direct contact with the bulk solution when immersed in the bulk solution is referred to.

本発明の具体例において、「電解液（an electrolyte）」が言及された場合、その中でイオンの移動により電荷が運ばれる、溶解したイオンを含む流体が言及される。これにより、電解液中のイオンと共に電荷の移動が可能なように電極の材料が選択されることが重要である。電解液は、例えば公知の塩成分を有する水、または一定の塩素濃度を有する水でも良い。対応する電極は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極でも良い。電解液は、公知の塩成分を有するアグロースまたはｐＨＥＭＡのようなハイドロゲルでも良い。電解液は、また、一定のｐＨを有する溶液のようなバッファでも良い。対応する電極は、金属酸化物電極（例えばＩｒＯｘ、ＲｕＯ）でも良い。金属電極の場合、対応する電解液は、例えばヘロセン、フェロセンメタノール、ルテニウムヘキサミン、またはキンヒドロンを含む水でも良い。金属電極は、好適には金、プラチナ、または炭素（Ａｇ、Ｐｔ、Ｃ）のような不活性な金属で形成され、または覆われるのが好ましい。 In embodiments of the present invention, when reference is made to "an electrolyte", reference is made to a fluid containing dissolved ions in which charges are carried by the movement of ions. Accordingly, it is important that the material of the electrode is selected so that the charge can move together with the ions in the electrolytic solution. The electrolyte may be, for example, water having a known salt component or water having a constant chlorine concentration. The corresponding electrode may be an Ag / AgCl electrode. The electrolyte may be a hydrogel such as agarose or pHEMA having a known salt component. The electrolyte may also be a buffer, such as a solution having a constant pH. The corresponding electrode may be a metal oxide electrode (eg, IrOx, RuO). In the case of metal electrodes, the corresponding electrolyte may be, for example, water containing herocene, ferrocenemethanol, ruthenium hexamine, or quinhydrone. The metal electrode is preferably formed or covered with an inert metal such as gold, platinum or carbon (Ag, Pt, C).

本発明の具体例では、「参照イオン（a reference ion）」が言及された場合、貯蔵器の中の対応する電極を用いて電荷を移動させることができる電解液中のイオンが参照される。 In embodiments of the present invention, when reference is made to "a reference ion", reference is made to ions in the electrolyte that can transfer charge using the corresponding electrode in the reservoir.

本発明の具体例では、「貯蔵器壁（a reservoir wall）」が言及された場合、貯蔵器の体積を規定し、区切る物理的な壁が参照される。本発明の具体例では、これは側壁、基板、またはキャップでも良い。 In embodiments of the present invention, when reference is made to "a reservoir wall", reference is made to a physical wall that defines and delimits the volume of the reservoir. In embodiments of the present invention, this may be a sidewall, substrate, or cap.

第１の形態では、本発明は、例えば小型化された参照電極である参照電極６００に関する。参照で電極６００は、バルク溶液に浸した場合に、参照電圧を形成するために使用できる。それゆえに、参照電極６００がバルク溶液に浸された場合、参照電極６００の貯蔵器６５０中の電解液は、バルク溶液とイオンコンタクトしなければならない。本発明の具体例では、貯蔵器６５０の壁の少なくとも１つに細孔６５１を設けて、これにより、細孔６５１も電解液で満たすことにより、これが実現される。細孔６５１は、貯蔵器６５０の中の電解液と、細孔６５１ではなくバルク溶液との間でイオンコンタクトを形成し、その大きさにより、貯蔵器６５０からの電解液中の参照イオンの拡散を防止または制限する。少なくとも１つの細孔６５１の存在を除いて、貯蔵器６５０は閉じられ、これは、参照電極６００中で、安定した濃度の参照イオンを有する電解液を保持するための有利である。 In a first embodiment, the present invention relates to a reference electrode 600, for example, a miniaturized reference electrode. The electrode 600 by reference can be used to create a reference voltage when immersed in a bulk solution. Therefore, when the reference electrode 600 is immersed in the bulk solution, the electrolyte in the reservoir 650 of the reference electrode 600 must be in ionic contact with the bulk solution. In an embodiment of the present invention, this is achieved by providing pores 651 in at least one of the walls of reservoir 650, thereby also filling pores 651 with electrolyte. The pores 651 form an ionic contact between the electrolyte in the reservoir 650 and the bulk solution rather than the pores 651, and due to the size of the reference ions in the electrolyte from the reservoir 650, To prevent or limit. Except for the presence of at least one pore 651, the reservoir 650 is closed, which is advantageous for holding an electrolyte with a stable concentration of reference ions in the reference electrode 600.

図６は、本発明の具体例にかかる参照電極の断面図である。参照電極６００は、それ以外には、シリコン、ガラス、またはホイルから形成されても良い。この例では、電極６２０は基板６１０の上に配置される。しかしながら、貯蔵器６５０中では、電極６２０が貯蔵器６５０の中の電解液とコンタクトする限り、電極６２０はいずれの位置でも可能である。本発明の具体例では、電極６２０は、それ以外には、塩化銀または金属酸化物から形成される。好ましい金属の例は、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ）、金、プラチナ、炭素、または貯蔵器６５０中の電解液中でイオンを用いて電荷移動ができる他の材料である。基板６１０の中の細孔６５１は、また図６に示される。この細孔の直径は、１μｍと１００μｍの間でも良い。図６の細孔６５１は、貯蔵器６５０を満たす電解液により満たされ、電解液と、その中に参照電極６００が浸されるバルク溶液との間にイオンコンタクトを形成する。細孔６５１は、例えばその形状および／または寸法により、貯蔵器６５０中の電解質中のイオンバルク溶液に、またはその反対に拡散するのを防止するように形成され、これにより電解液の濃度変化を制限する。本発明の具体例の長所は、参照電極６００により形成された電圧のドリフトを制限することである。 FIG. 6 is a cross-sectional view of a reference electrode according to a specific example of the present invention. Reference electrode 600 may alternatively be formed of silicon, glass, or foil. In this example, electrode 620 is disposed on substrate 610. However, in the reservoir 650, the electrode 620 can be in any position as long as the electrode 620 contacts the electrolyte in the reservoir 650. In embodiments of the present invention, electrode 620 is otherwise formed from silver chloride or a metal oxide. Examples of preferred metals are iridium oxide (IrOx), ruthenium oxide (RuO), gold, platinum, carbon, or other materials capable of charge transfer using ions in the electrolyte in reservoir 650. The pores 651 in the substrate 610 are also shown in FIG. The diameter of this pore may be between 1 μm and 100 μm. The pores 651 of FIG. 6 are filled with an electrolyte that fills the reservoir 650, forming an ionic contact between the electrolyte and the bulk solution in which the reference electrode 600 is immersed. The pores 651 are formed, for example, by their shape and / or size, to prevent diffusion into or from the ionic bulk solution in the electrolyte in the reservoir 650, thereby preventing changes in the concentration of the electrolyte. Restrict. An advantage of embodiments of the present invention is that it limits the drift of the voltage created by reference electrode 600.

図６の例では、貯蔵器６５０の側壁６３０はポリマーまたはプラスチックから形成される。貯蔵器６５０はキャップを用いて閉じられる。図６に示された具体例では、細孔６５１は基板６１に形成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図示しない本発明の代わりに具体例では、細孔はキャップ６４０に配置されても良い。細孔は、キャップ６４０を通っても良いし、またはキャップ６４０と側壁６３０との間に（例えば、キャップ６４０の中に浅いチャネルを形成し、側壁６３０の手段でそれを閉じることにより、または側壁６３０の中に浅いチャネルを形成し、それをキャップ６４０の手段でそれを閉じることにより）配置されても良い。 In the example of FIG. 6, sidewall 630 of reservoir 650 is formed from a polymer or plastic. The reservoir 650 is closed using a cap. In the specific example shown in FIG. 6, the pores 651 are formed in the substrate 61. However, the invention is not limited to this, and the pores may be arranged in the cap 640 in an embodiment instead of the invention not shown. The pores may pass through the cap 640 or between the cap 640 and the side wall 630 (eg, by forming a shallow channel in the cap 640 and closing it by means of the side wall 630, or (By forming a shallow channel in 630 and closing it by means of cap 640).

本発明の他の具体例では、細孔７５１が、参照電極７００の側壁に配置される。その例を図７に示す。図７の（ａ）は、電極７２０がその上に載置され、そして側壁７３０がその上に載置された基板７１０を示す。側壁７３０の１つでは、細孔７５１は、参照電極の外側が、参照電極の貯蔵器７５０にコンタクトするように形成される。貯蔵器７５０はキャップ７４０を用いて閉じられる。この例では、貯蔵器７５０は、微細加工を用いて形成される。この側壁７３０は、ガラスから形成されても良く、貯蔵器７５０は、深いエッチング（例えばＨＦエッチング）、パウダーブラスティング、またはレーザードリリングを用いて形成されても良い。細孔７５１は、例えばＨＦエッチングを用いて形成された、側壁７３０に形成された浅いマイクロ流体チャネルでも良い。マイクロ流体チャネルを含む側壁７３０を基板７１０も接続することにより、細孔７５１が得られる。本発明の具体例では、側壁７３０は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキザン）のようなポリマーから形成されても良い。貯蔵器７５０と細孔７５１の反転を描く予め形成されたフォトレジスト（例えば、ＳＵ−８）を有するシリコンウエハの上に、液体ＰＤＭＳをモールドすることにより、マイクロ流体チャネルを含む側壁７３０が形成できる。 In another embodiment of the present invention, pores 751 are located on the side walls of reference electrode 700. An example is shown in FIG. FIG. 7 (a) shows a substrate 710 with an electrode 720 mounted thereon and a sidewall 730 mounted thereon. In one of the side walls 730, the pores 751 are formed such that the outside of the reference electrode contacts the reference electrode reservoir 750. Reservoir 750 is closed using cap 740. In this example, reservoir 750 is formed using micromachining. The sidewall 730 may be formed from glass, and the reservoir 750 may be formed using deep etching (eg, HF etching), powder blasting, or laser drilling. Pores 751 may be shallow microfluidic channels formed in sidewalls 730, formed using, for example, HF etching. By connecting the side wall 730 including the microfluidic channel also to the substrate 710, the pore 751 is obtained. In an embodiment of the present invention, the sidewall 730 may be formed from a polymer such as, for example, PDMS (polydimethylsiloxane). Side walls 730 containing microfluidic channels can be formed by molding liquid PDMS on a silicon wafer having a preformed photoresist (eg, SU-8) depicting reservoirs 750 and inversion of pores 751. .

図示しない、本発明の代わりの具体例では、マイクロ流体チャネルが基板の上面にエッチングされても良く、側壁によりマイクロ流体チャネルを覆った場合に細孔となる。 In an alternative embodiment of the invention, not shown, the microfluidic channels may be etched into the top surface of the substrate, resulting in pores when the microfluidic channels are covered by sidewalls.

本発明の具体例では、細孔７５１は蛇行した細孔でも良い。これは、細孔を長くすることができる。そのような蛇行した細孔の例が、本発明の具体例にかかる参照電極の水平断面を示す図７の（ｂ）に示される。図では、貯蔵器７５０と蛇行した細孔７５１が見られる。本発明の具体例の長所は、蛇行した細孔７５１が、参照電極の側壁の幅より大きな長さを有することである。本発明の具体例は、異なる位置の複数の細孔を含んでも良い。 In an embodiment of the present invention, the pores 751 may be meandering pores. This can lengthen the pores. An example of such a meandering pore is shown in FIG. 7 (b), which shows a horizontal cross section of a reference electrode according to an embodiment of the present invention. In the figure, a reservoir 750 and a meandering pore 751 can be seen. An advantage of embodiments of the present invention is that the meandering pores 751 have a length greater than the width of the reference electrode sidewall. Embodiments of the present invention may include multiple pores at different locations.

図４は、本発明の具体例にかかる参照電極（図９の示された参照電極）のドリフト４２０を示す。図４は、また、従来技術の参照電極３１０（図３に示された参照電極）のドリフト４１０を示す。双方のカーブは、参照電極が、０．１ＭのＫＣｌの塩素濃度を有するバルク溶液に浸された場合のドリフトを示し、この濃度は、参照電極の電解液中の塩素濃度（３ＭのＫＣｌ）とは異なる。本発明の具体例では、参照電極の細孔９５１は下方への拡散（down diffusion）を示すため、カーブ４２０から見られるように、ドリフトは、８日間で約１０ｍＶに制限される。カーブ４１０は、電解液３４０中に埋められた参照電極３１０のドリフトを示す。見られるように、本発明の具体例の長所は、数時間後には６０ｍＶのドリフトが観察される図３の従来技術の参照電極３１０に比較してドリフトが低減されることである。 FIG. 4 shows a drift 420 of a reference electrode (the reference electrode shown in FIG. 9) according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 also shows the drift 410 of the prior art reference electrode 310 (the reference electrode shown in FIG. 3). Both curves show the drift when the reference electrode is immersed in a bulk solution having a chlorine concentration of 0.1 M KCl, which is dependent on the chlorine concentration in the reference electrode electrolyte (3 M KCl). Is different. In an embodiment of the present invention, the drift is limited to about 10 mV in eight days, as can be seen from curve 420, because the reference electrode pores 951 exhibit down diffusion. Curve 410 shows the drift of reference electrode 310 buried in electrolyte 340. As can be seen, an advantage of embodiments of the present invention is that the drift is reduced compared to the prior art reference electrode 310 of FIG. 3, where after 60 hours a drift of 60 mV is observed.

図１０は、本発明の具体例にかかる参照電極６００のドリフトを示す。カーブ１０１０は、電極６２０がＩｒＯｘから形成され、バッファ溶液に浸された場合のドリフトを示し、カーブ１０２０は、電極６２０がＡｇＣｌから形成され、ＫＣｌ溶液に浸された場合のドリフトを示す。ＩｒＯｘはｐＨ感度が高く、これにより、例えばｐＨ電極のような、イオンセンサを作製した場合に容易な処理を暗示する、イオン選択性電極５８０（図５参照）に関して、参照電極６００の電極６２０と同じ材料を用いることができる。電極６２０がＩｒＯｘから形成された場合、貯蔵器６５０の中の電解液は、一定のｐＨを有するバッファ（例えばｐＨＭＡゲル中でｐＨ７を有するバッファ）である。ＩｒＯｘから形成された電極を有する参照電極６００は、ｐＨ７のバッファ中で調整され、この参照電極の安定性は、ｐＨ４のバルク溶液中に浸すことにより測定される。結果は図１０（カーブ１０１０）に示される。比較のために、カーブ１０２０は、本発明の具体例にかかるＡｇＣｌ参照電極６００のドリフトを示し、３ＭのＫＣｌの中で調整されて、その後に０．１ＭのＫＣｌバルク溶液中に浸される。金属酸化物から形成された電極６２０は、電解液（バッファ溶液）中のプロトンと反応し、安定したプロトン濃度が確立できれば、安定した電圧を発生させる。本発明の具体例の長所は、バッファ溶液がｐＨの変化に対して抵抗するため、バッファ溶液が貯蔵器６５０の中で使用されることである。 FIG. 10 shows the drift of the reference electrode 600 according to an embodiment of the present invention. Curve 1010 shows the drift when electrode 620 is formed from IrOx and immersed in a buffer solution, and curve 1020 shows the drift when electrode 620 is formed from AgCl and immersed in a KCl solution. IrOx has a high pH sensitivity, which, with respect to the ion-selective electrode 580 (see FIG. 5), implies an easy process when fabricating an ion sensor, such as a pH electrode, for example. The same material can be used. When electrode 620 is formed from IrOx, the electrolyte in reservoir 650 is a buffer having a constant pH (eg, a buffer having a pH of 7 in a pHMA gel). A reference electrode 600 having an electrode formed from IrOx is conditioned in a pH 7 buffer, and the stability of the reference electrode is measured by immersion in a pH 4 bulk solution. The results are shown in FIG. 10 (curve 1010). For comparison, curve 1020 shows the drift of AgCl reference electrode 600 according to an embodiment of the present invention, adjusted in 3M KCl, and then immersed in 0.1M KCl bulk solution. The electrode 620 formed from the metal oxide reacts with protons in the electrolyte solution (buffer solution) and generates a stable voltage when a stable proton concentration can be established. An advantage of embodiments of the present invention is that the buffer solution is used in the reservoir 650 because the buffer solution resists changes in pH.

本発明の具体例にかかる参照電極の寿命は、貯蔵器の体積（イオンの量、モル）と細孔寸法（イオンの外部拡散、モル／秒）の間の比に依存する。この比は、システムの効率（寿命）を表す時定数を生じる。寿命の絶対値は、他のパラメータ（拡散係数）にも依存するが、時定数は、異なる貯蔵器−細孔形状を比較するために使用できる。細孔を通る拡散は、断面積に比例し、長さに反比例する（フィックの拡散法則）。 The lifetime of the reference electrode according to an embodiment of the invention depends on the ratio between the volume of the reservoir (amount of ions, mol) and the pore size (external diffusion of ions, mol / sec). This ratio yields a time constant that represents the efficiency (lifetime) of the system. Although the absolute value of the lifetime also depends on other parameters (diffusion coefficients), the time constant can be used to compare different reservoir-pore shapes. Diffusion through pores is proportional to cross-sectional area and inversely proportional to length (Fick's law of diffusion).

時間当たりの電圧である、参照電極電位のドリフトは、もし参照電極の電極感度（１０年の濃度毎の電圧（Volt per decade of concentration）、または濃度塩素溶液の場合はＶ／ｐＣｌ）が公知であれば、時間に対する貯蔵器の内側の濃度差で表される。 The drift of the reference electrode potential, which is the voltage per hour, is known as the electrode sensitivity of the reference electrode (Volt per decade of concentration, or V / pCl for a concentrated chlorine solution). If present, it is expressed as the concentration difference inside the reservoir over time.

以下の式：
Ｄｒｉｆｔ＝ΔＥ／ｔ
で表される。ここでｔは特定のドリフトに必要とされる時間であり、Ｎｅｒｎｓｔの式：
Ｅ＝Ｅ０＋ＲＴ／Ｆ＊Ｉｎ（Ｃ）または
Ｅ＝ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ＊ｌｏｇ（Ｃ）＋ｃｏｎｓｔａｎｔ
であり、これにより
ΔＥ＝ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ＊ｌｏｇ（Ｃ_ｔ／Ｃ_０）または
Ｃ_ｔ＝Ｃ_０＊１０＾（ΔＥ／ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）となる。
Ｃ_ｔは、時間ｔにおける貯蔵器中の参照イオンの濃度であり、Ｃ_０は貯蔵器中の参照イオンの初期濃度（ｔ＝０）であり、単位はモル／リットルである。 The following formula:
Drift = ΔE / t
It is represented by Where t is the time required for a particular drift and Nernst's equation:
E = E0 + RT / F * In (C) or E = sensitivity * log (C) + constant
This gives ΔE = sensitivity * log (C _t / C ₀ ) or C _t = C ₀ * 10 ＾ (ΔE / sensitivity).
C _t is the concentration of the reference ion in the reservoir at time t, C ₀ is the initial concentration of the reference ion in the reservoir (t = 0), and the unit is mol / liter.

ドリフトが小さく、それゆえに貯蔵器の内部と外部の濃度変化が小さい場合、細孔を通る拡散フラックスは、一定と見なされる（拡散のための駆動力ΔＣ_ｔ＝Ｃ_ｔ−Ｃ_ｏｕｔ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ＝ΔＣ_０＝Ｃ_ｔ−Ｃ_out）。 If the drift is small and hence the concentration change inside and outside the reservoir is small, the diffusion flux through the pores is considered constant (driving force for diffusion ΔC _t = C _t −C _out = constant = ΔC ₀ = _C t -C _out).

断面積Ａ（ｍ^２）で長さＬ（ｍ）の直線の細孔を通る、モル／秒で表されるこの最初の拡散フラックスは、フィックの拡散の法則に従って以下のように記載できる。
Ｊ_０＝−Ｄ＊Ａ＊ΔＣ_０／Ｌ
ここで、Ｄは、ｍ^２／秒で表される拡散係数である。これは、初期フラックスＪ_０は、初期貯蔵器濃度と細孔のアスペクト比（Ａ／Ｌの比）にのみ依存し、貯蔵器の大きさには依存しないことを意味する。 This initial diffusion flux, expressed in mol / s, through a straight pore of length L (m) with a cross-sectional area A (m ² ) can be described as follows according to Fick's law of diffusion.
J ₀ = −D * A * ΔC ₀ / L
Here, D is a diffusion coefficient expressed in m ² / sec. This means that the initial flux J ₀ depends only on the initial reservoir concentration and the aspect ratio of the pores (A / L ratio) and not on the size of the reservoir.

図１１のカーブは、参照電極６００が参照イオン濃度のより低い濃度を有するバルク溶液に浸された場合の、貯蔵器６５０中の電解液中の参照イオンの濃度を示す。カーブ１１１０は、直径が１０μｍの細孔を有する参照電極に対応し、カーブ１１２０は２０μｍ、カーブ１１３０は５０μｍ、カーブ１１４０は１００μｍに対応する。細孔６５１の長さ、および貯蔵器６５０の体積は、この実験で使用した異なる参照電極において同一である。図１１から分かるように、細孔の直径が最も大きな参照電極に対して、参照イオンの濃度は、最も速く減少する。 The curve in FIG. 11 shows the concentration of the reference ion in the electrolyte in the reservoir 650 when the reference electrode 600 is immersed in a bulk solution having a lower reference ion concentration. Curve 1110 corresponds to a reference electrode having pores with a diameter of 10 μm, curve 1120 corresponds to 20 μm, curve 1130 corresponds to 50 μm, and curve 1140 corresponds to 100 μm. The length of the pore 651 and the volume of the reservoir 650 are the same for the different reference electrodes used in this experiment. As can be seen from FIG. 11, for the reference electrode with the largest pore diameter, the concentration of the reference ion decreases fastest.

時間を関数とした貯蔵器６５０中の参照イオンの濃度（図１１のカーブのほぼ直線の初期部分）は、初期のイオン量から外部への拡散を引いて、貯蔵器の体積で割ったもので、
Ｃ_ｔ＝（Ｃ_０＊Ｖ_ｒｅｓ−Ｊ_０＊ｔ）／Ｖ_ｒｅｓまたは
Ｃ_ｔ＝Ｃ_０＋Ｄ＊ｔ＊ΔＣ_０＊（Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ））
である。ここで、Ｖ_ｒｅｓはｍ^３で表す貯蔵器の体積で、関数（Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ））は貯蔵器／細孔システムの全体形状を表す。２つの式をＣ_ｔに代入すると、
ｔ＝（Ｃ_０＊（１−１０＾（ΔＥ／ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ））／（Ｄ＊ΔＣ_０＊（Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ））となる。 The concentration of the reference ion in the reservoir 650 as a function of time (the near linear initial portion of the curve in FIG. 11) is the initial ion mass minus the outward diffusion divided by the volume of the reservoir. ,
_{_{_{_{C t = (C 0 * V}}}} res -J 0 * t) / V res or _{_{C t = C 0 + D *}} t * ΔC 0 * (A / (L * V res))
It is. _{Here, V res} is the volume of the reservoir represented by ^{m 3,} the function _{(A / (L * V res} )) represents the overall shape of the reservoir / pore system. Substituting the two equations into C _t gives:
t = (C ₀ * (1-10 ＾ (ΔE / sensitivity)) / (D * ΔC ₀ * (A / (L * V _res ))

特定の形状の寿命は、次に、選択された許容できるドリフト（ΔＥ）、拡散係数、および貯蔵器の内部および外部の開始濃度に依存する。または、他の道では、所定の許容できるドリフト（ΔＥ）、拡散係数、および貯蔵器６５０の内側および外側の初期濃度に対して、本発明の具体例にかかる貯蔵器６５０／細孔６５１システムは、形状Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ）により記載される。異なる形状は、それゆえに、Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ）関数を用いて直接比較される。 The lifetime of a particular shape then depends on the selected acceptable drift (ΔE), diffusion coefficient, and starting concentration inside and outside the reservoir. Or, in other ways, for a given acceptable drift (ΔE), diffusion coefficient, and initial concentration inside and outside the reservoir 650, the reservoir 650 / pore 651 system according to embodiments of the invention may be used. , Shape A / (L * V _res ). The different shapes are therefore compared directly using the A / (L * V _res ) function.

１箇月で５ｍＶのドリフトが安定と見なされ、イオンセンサの感度が約５０ｍＶ／１０年（Ｎｅｒｎｓｔｉａｎ挙動）の場合、これは許容できる濃度の相対的な減少が、
（１−１０＾（−５／５０））：１００％＝２０％
であることを意味する。 If a drift of 5 mV in one month is considered stable, and the sensitivity of the ion sensor is about 50 mV / 10 years (Nernstian behavior), this is an acceptable relative decrease in concentration,
(1-10 ＾ (− 5/50)): 100% = 20%
Means that

貯蔵器６５０中の濃度が直線的に減少すると考えると（一定の拡散フラックス）、これは、システムの時定数が５箇月であることを意味する。実際に、より長い時間にわたって拡散は一定ではない。図１１のカーブから分かるように、内部の貯蔵器濃度が低くなった場合に、拡散が減少する。システムの実際の寿命は、それゆえに、見積もりよりも長い。 Given that the concentration in the reservoir 650 decreases linearly (constant diffusion flux), this means that the time constant of the system is 5 months. In fact, the diffusion is not constant over a longer period of time. As can be seen from the curves in FIG. 11, diffusion decreases as the internal reservoir concentration decreases. The actual life of the system is therefore longer than estimated.

拡散形状を有する、本発明の具体例にかかる２つの異なる参照電極６００、７００の例を以下に説明する。それらの参照電極は、Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ）関数を用いて比較される。第１の参照電極６００は、作製のために（基板を通るＤＲＩＥエッチング、例えば図６に示された参照電極）細孔の長さが制限された細孔６５１を有する。第２の参照電極７００は、制限された貯蔵器７５０の大きさを有する（例えば、ガラスウエハ中に集積されまたはＰＤＭＳ中にモールドされた場合、例えば図７に示された参照電極）が、細孔の長さには大きな自由度がある。第１の参照電極６００は、直径が１０μｍで１００μｍの長さの細孔６５１と、２０μＬの貯蔵器６５０を有し、第２の参照電極７００は、幅が５０μｍで高さが１０μｍの、６．５ｍｍの長さの（蛇行した）細孔により接続された２μＬのオンチップ貯蔵器７５０に匹敵する。双方の参照電極は、（２ｅ^−９ｍ^２／ｓの拡散係数から推定した）約２箇月の時定数を有する。 Examples of two different reference electrodes 600, 700 according to embodiments of the present invention having a diffuse shape are described below. The reference electrodes are compared using the A / (L * V _res ) function. The first reference electrode 600 has pores 651 of limited length for fabrication (DRIE etching through the substrate, eg, the reference electrode shown in FIG. 6). The second reference electrode 700 has a limited reservoir 750 size (eg, when integrated in a glass wafer or molded in PDMS, eg, the reference electrode shown in FIG. 7). There is great flexibility in the length of the holes. The first reference electrode 600 has pores 651 having a diameter of 10 μm and a length of 100 μm, and a reservoir 650 of 20 μL. The second reference electrode 700 has a width of 50 μm and a height of 10 μm. Equivalent to a 2 μL on-chip reservoir 750 connected by a 0.5 mm long (serpentine) pore. Both the reference electrode ^has a ^(2e -9 ^m 2 / estimated from the diffusion coefficient of the s) about two months time constant.

本発明の具体例では、細孔の断面積Ａと電解液中のイオンの拡散係数Ｄとの積と、細孔の長さＬと貯蔵器の体積Ｖ_ｒｅｓとの積との間の比は、１より小さい（（Ｄ＊Ａ／（Ｌ＊Ｖ_ｒｅｓ）＜１））。 In an embodiment of the invention, the ratio between the product of the cross-sectional area A of the pores and the diffusion coefficient D of the ions in the electrolyte and the product of the length L of the pores and the volume _{Vres of the} reservoir is , Less than 1 ((D * A / (L * V _res ) <1)).

第２の形態では、本発明は参照電極を作製する方法に関する。この方法は、細孔を含む貯蔵器を形成して、これにより貯蔵器が１側面において開放される工程を含む。この方法は、貯蔵器の中に電極を提供する工程を含む。この方法は、貯蔵器を電解液で満たし、この後に貯蔵器を閉じる工程を含む。 In a second aspect, the invention is directed to a method of making a reference electrode. The method includes forming a reservoir that includes pores, thereby opening the reservoir on one side. The method includes providing an electrode in a reservoir. The method includes the steps of filling a reservoir with an electrolyte and subsequently closing the reservoir.

この方法の例を図８に示す。工程（ａ）では、細孔８５１を含み、更に電極８２０を含む基板８１０が形成される。細孔８５１は基板８１０の中に存在し、貯蔵器は、基板８１０の上に側壁８３０を配置することにより形成される。工程（ｂ）では、貯蔵器８５０には、電解液（例えばバッファ、固定された塩素濃度を含む水、アガロースゲル、またはｐＨＥＭＡゲル）が充填される。充填は、例えば分配ロボットにより自動的に行われる。本発明の具体例の長所は、それゆえに、細孔８５１が既に存在し、貯蔵器８５０に電解液が充填された場合に、電解液とコンタクトすることである。細孔８５１とコンタクトした場合、毛細管力により、細孔は電解液で充填されることが保証される。これにより、空気の気泡は細孔８５１の中にトラップされない。これにより、操作的な使用で、参照電極が電解液に浸された場合に、電解液とバッファ溶液との間の良好なイオンコンタクトが保証される。次の工程（ｃ）において、貯蔵器８５０が閉じられる。これは、キャップ８４０を用いて行われても良い。キャップ８４０は、側壁８３０にシールされても良い。貯蔵器８５０は、また、グラブトップの液滴または他のエピタキシによりシールされても良い。本発明の具体例では、シールは取り外し可能である。キャップ８４０は、例えば取り外し可能でも良い。これにより、装置をリセットするために、貯蔵器を開けて、電解液を新しい溶液で置き換えることができる。 FIG. 8 shows an example of this method. In the step (a), a substrate 810 including the pores 851 and further including the electrode 820 is formed. The pores 851 are present in the substrate 810 and the reservoir is formed by placing the sidewall 830 on the substrate 810. In step (b), reservoir 850 is filled with an electrolyte (eg, buffer, water with a fixed chlorine concentration, agarose gel, or pHEMA gel). Filling is performed automatically, for example, by a dispensing robot. An advantage of embodiments of the present invention is, therefore, that if the pores 851 are already present and the reservoir 850 is filled with electrolyte, it will contact the electrolyte. When in contact with the pores 851, capillary forces ensure that the pores are filled with electrolyte. Thus, air bubbles are not trapped in the pores 851. This ensures good ionic contact between the electrolyte and the buffer solution when the reference electrode is immersed in the electrolyte in operational use. In the next step (c), the reservoir 850 is closed. This may be done using cap 840. The cap 840 may be sealed to the side wall 830. Reservoir 850 may also be sealed with glove-top droplets or other epitaxy. In embodiments of the present invention, the seal is removable. Cap 840 may be removable, for example. This allows the reservoir to be opened and the electrolyte replaced with a fresh solution to reset the device.

図９の（ａ）は、本発明の具体例にかかる参照電極９００の断面を示す。この例では、側壁９３０はＰＣＢ（プリント回路基板）材料である。ＰＣＢ材料の膜厚は、例えば２．５ｍｍと３．５ｍｍとの間である。この例では、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）と水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングとの組み合わせを用いて、細孔９５１が、例えばシリコンのような半導体基板９１０の中に形成される。最初に、基板をＤＲＩＥエッチングして、基板９１０の第１表面に狭い細孔が形成される（図９（ｃ）の第１工程）。細孔９５１は、１０ｎｍと１０００μｍとの間、好適には１０μｍと１００μｍとの間の直径で、１μｍと１０ｃｍとの間、好適には１０μｍと１０００μｍとの間の深さを有する。次に、ＫＯＨエッチングのための保護層９８０、例えば窒化シリコン保護層が、細孔の内側で、細孔９５１に対向する第２表面を覆わないように堆積される（図９（ｃ）の第２工程）。この後に、ＫＯＨエッチング工程が行われる（図９（ｃ）の第３工程）。次に、保護層９８０が除去されて、これにより、細孔９５１を開口する（図９（ｃ）の第４工程）。本発明の具体例の長所は、ＫＯＨエッチングは、ウエハ９１０の膜厚を、約１００μｍの膜厚まで部分的に減らし、例えばＤＲＩＥエッチングを用いて、基板を通って狭い細孔９５１（１０〜１００μｍ直径）のエッチングを可能にする。ＤＲＩＥエッチングでは深さと幅の比が制限されるため、これと共にＤＲＩＥエッチングを使用すると便利である。この比は約１０で、最大２０である。例えばＳｉのような半導体ウエハの厚さ（例えば６５０μｍ）全体を通って１０μｍの細孔をエッチングする工程は、それゆえに適していない。 FIG. 9A shows a cross section of a reference electrode 900 according to a specific example of the present invention. In this example, sidewall 930 is a PCB (printed circuit board) material. The thickness of the PCB material is, for example, between 2.5 mm and 3.5 mm. In this example, pores 951 are formed in a semiconductor substrate 910, such as silicon, using a combination of deep reactive ion etching (DRIE) and potassium hydroxide (KOH) etching. First, the substrate is subjected to DRIE etching to form narrow pores on the first surface of the substrate 910 (first step in FIG. 9C). The pores 951 have a diameter between 10 nm and 1000 μm, preferably between 10 μm and 100 μm, and a depth between 1 μm and 10 cm, preferably between 10 μm and 1000 μm. Next, a protective layer 980 for KOH etching, for example, a silicon nitride protective layer, is deposited inside the pores so as not to cover the second surface facing the pores 951 (FIG. 9C). 2 steps). Thereafter, a KOH etching step is performed (third step in FIG. 9C). Next, the protective layer 980 is removed, thereby opening the pores 951 (fourth step in FIG. 9C). An advantage of embodiments of the present invention is that the KOH etch partially reduces the thickness of the wafer 910 to a thickness of about 100 μm, for example, using a DRIE etch to narrow narrow pores 951 (10-100 μm) through the substrate. Diameter). Since the ratio of depth to width is limited in DRIE etching, it is convenient to use DRIE etching with it. This ratio is about 10, up to 20. Etching 10 μm pores through the entire thickness (eg, 650 μm) of a semiconductor wafer, such as Si, is therefore not suitable.

次に、側壁９３０が基板９１０の上に配置され、これにより形成された貯蔵器９５０は、キャップ９４０により閉じられる。記載された具体例では、側壁９３０は積層されたＰＣＢボードから形成される。２つのＰＣＢ基板の間の導電性ワイヤ９２１は、電極９２０（例えばＡｇＣｌ電極）を貯蔵器９５０の外部と接続する。本発明の具体例では、導電性ワイヤ９２１は、金属から形成され、腐食を防止するために、不活性金属（例えばＡｕ、Ｐｔ）から形成され、またはこれに覆われる。好適には、貯蔵器９５０の中で電解液とのコンタクトを避けるために、導電性ワイヤ９２１は、電極（例えばＡｇＣｌ）で完全に覆われる。例では、貯蔵器９５０は、約１００μＬの、３ＭのＫＣｌを含むｐＨＥＭＡゲルが充填され、キャップ９４０でシールされる（図９（ａ）参照）。この例では、キャップ９４０はシリコンのような半導体材料から形成されても良いが、しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例では、キャップ９４０は細孔を有しない。硬化後、ｐＨＥＭＡはもはや液体では無いので、貯蔵器９５０は、また、エポキシ接着剤やグラブトップのような材料で包んで閉じても良い。図９の（ｂ）は、図９（ａ）に図示したような参照電極９００の実際の実施の、上面の写真および底面の写真を示す。上面図では、電極９２０と細孔９５１が見られる。底面図では、基板９１０が見られる。 Next, the side wall 930 is placed over the substrate 910, and the reservoir 950 formed thereby is closed by the cap 940. In the embodiment described, the sidewalls 930 are formed from laminated PCB boards. A conductive wire 921 between the two PCB boards connects the electrode 920 (eg, an AgCl electrode) to the outside of the reservoir 950. In an embodiment of the present invention, the conductive wire 921 is formed of a metal and is formed of or covered with an inert metal (eg, Au, Pt) to prevent corrosion. Preferably, the conductive wire 921 is completely covered with an electrode (eg, AgCl) to avoid contact with the electrolyte in the reservoir 950. In the example, the reservoir 950 is filled with about 100 μL of a pHEMA gel containing 3M KCl and sealed with a cap 940 (see FIG. 9 (a)). In this example, cap 940 may be formed from a semiconductor material such as silicon, but the invention is not so limited. In the example, cap 940 has no pores. After curing, the reservoir 950 may also be wrapped and closed with a material such as an epoxy adhesive or glove top, as the pHEMA is no longer a liquid. FIG. 9B shows a photograph of the top surface and a photograph of the bottom surface of the actual implementation of the reference electrode 900 as shown in FIG. 9A. In the top view, electrodes 920 and pores 951 can be seen. In the bottom view, the substrate 910 can be seen.

本発明の具体例にかかるイオンセンサ５００の模式的な断面図が、図５に示される。図５は、本発明の具体例にかかる参照電極５０１と、２つの裸の電極５２０、５３０を有するイオンセンサ５００を模式的に示す。参照電極５０１は、参照電極５０１の貯蔵器５５０の中の電解液と、外界との間に形成されたイオンコンタクトを提供する。図示された具体例では、細孔５５１が基板５１０を通って形成される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。 FIG. 5 is a schematic sectional view of an ion sensor 500 according to a specific example of the present invention. FIG. 5 schematically illustrates an ion sensor 500 having a reference electrode 501 and two bare electrodes 520, 530 according to an embodiment of the present invention. The reference electrode 501 provides an ionic contact formed between the electrolyte in the reservoir 550 of the reference electrode 501 and the outside world. In the embodiment shown, a pore 551 is formed through the substrate 510. However, the present invention is not limited to this.

図５に示されたイオンセンサ５００は、基板５１０の上に集積されて示される。参照電極５０１は、貯蔵器側壁５３０とキャップ５４０とを有する貯蔵器５５０を含む。貯蔵器はこのように、基板５１０と貯蔵器側壁５３０とキャップ５４０により範囲を決められ、そのような貯蔵器の体積が規定される。参照電解溶液の周囲にある側壁５３０とキャップ５４０は、その中を通ってイオンを移動させない。貯蔵器に電解液が充填される。貯蔵器５５０の中には、電極５２０が存在し、電解液とコンタクトする。貯蔵器５５０は、細孔５５１の存在を除いて、（基板５１０、壁５３０、およびキャップ５４０により）閉じられる。細孔５５１は電解液で満たされ、操作的な使用の場合に、貯蔵器５５０の中の電解液と、イオンセンサ５００がその中に浸されるバルク溶液との間でイオンコンタクトを可能にする。 The ion sensor 500 shown in FIG. 5 is shown integrated on a substrate 510. The reference electrode 501 includes a reservoir 550 having a reservoir sidewall 530 and a cap 540. The reservoir is thus delimited by the substrate 510, the reservoir side wall 530 and the cap 540, defining the volume of such a reservoir. The side walls 530 and cap 540 around the reference electrolyte do not move ions therethrough. The reservoir is filled with the electrolyte. Within the reservoir 550 is an electrode 520, which is in contact with the electrolyte. Reservoir 550 is closed (by substrate 510, wall 530, and cap 540) except for the presence of pores 551. The pores 551 are filled with electrolyte to allow for ionic contact between the electrolyte in the reservoir 550 and the bulk solution in which the ion sensor 500 is immersed, in operational use. .

電極５２０の材料と、参照電極５０１の貯蔵器５５０の中の電解液は、参照電極５０１の電極５２０に電圧が誘起されるように選択される。この電圧は、電解液の中の参照イオンの濃度に依存する。電極３１０は、本発明の具体例にかかるいずれかの好適な電極でも良く、例えばＡｇ／ＡｇＣｌから形成されても良い。電解液は、いずれかの好ましい電解液でも良く、例えばＣｌイオンを含むＫＣｌ溶液でも良い。小型化されたセンサの実施中の電解液の体積は、一般には数マイクロリットル以下である。参照ＫＣｌ溶液中の塩素イオンの濃度は、電極５０１の参照電位を決定する。 The material of electrode 520 and the electrolyte in reservoir 550 of reference electrode 501 are selected such that a voltage is induced at electrode 520 of reference electrode 501. This voltage depends on the concentration of the reference ion in the electrolyte. Electrode 310 may be any suitable electrode according to embodiments of the present invention, and may be formed, for example, of Ag / AgCl. The electrolyte may be any preferred electrolyte, for example a KCl solution containing Cl ions. The volume of electrolyte during implementation of miniaturized sensors is generally less than a few microliters. The concentration of chloride ions in the reference KCl solution determines the reference potential of electrode 501.

本発明の具体例にかかる参照電極５０１を含むイオンセンサ５００が、例えば塩素濃度のようなイオン濃度を有するバルク溶液中に配置され、このイオン濃度は電解液の中の、例えば塩素濃度のような参照イオン濃度とは異なる場合、参照電解質溶液とバルク溶液との間に細孔５５１を通ってイオン導電性経路が存在し、電解液の中に、または電解液から外に、イオンが拡散する。イオンの拡散は、電解液中のイオン濃度を変更し、参照電極５０１の電圧をドリフトさせる。しかしながら、細孔の制限された寸法により、イオン濃度のシフトは制限され、参照電極の寿命と、それゆえにイオンセンサの寿命は改良される。 An ion sensor 500 including a reference electrode 501 according to an embodiment of the present invention is disposed in a bulk solution having an ionic concentration, such as, for example, a chlorine concentration, the ionic concentration being within an electrolyte, such as, for example, a chlorine concentration. If different from the reference ion concentration, there is an ionic conductive path through the pores 551 between the reference electrolyte solution and the bulk solution, and the ions diffuse into and out of the electrolyte. The diffusion of ions changes the ion concentration in the electrolyte and causes the voltage of the reference electrode 501 to drift. However, the limited size of the pores limits the shift in ion concentration and improves the lifetime of the reference electrode and hence of the ion sensor.

図４に示された例では、本発明の具体例にかかる参照センサは、図３のイオンセンサで使用された参照センサに比較して改良された安定性を有する。それゆえに、本発明の具体例にかかるそのような参照センサを含むイオンセンサは、また改良された安定性を有する。 In the example shown in FIG. 4, the reference sensor according to an embodiment of the present invention has improved stability as compared to the reference sensor used in the ion sensor of FIG. Therefore, ion sensors including such reference sensors according to embodiments of the present invention also have improved stability.

参照電極５０１の他にイオンセンサ５００では、測定されるイオンを選択する、イオン選択性電極５８０が改良される。イオン選択性電極５８０は、例えばＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果トランジスタ）でも良い。イオン選択性電極５８０は、例えばｐＨ測定に使用できる酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）から形成されても良い、イオン選択性電極５８０は、またイオン選択性膜または自己形成モノレイヤにより覆われたＡｇＣｌ電極でも良い。イオン選択性電極５８０は、電解液貯蔵器とコンタクトし、ガラス膜によりサンプル溶液により分離された（これによりｐＨセンサを形成する）ＡｇＣｌ電極でも良い。イオン選択性電極５８０は、電解液貯蔵器とコンタクトし、（固体の）イオン選択性膜によりサンプル溶液により分離されたＡｇＣｌ電極でも良い。 In addition to the reference electrode 501, the ion sensor 500 has an improved ion-selective electrode 580 for selecting the ions to be measured. The ion-selective electrode 580 may be, for example, an ISFET (ion-selective field-effect transistor). The ion-selective electrode 580 may be formed, for example, from iridium oxide (IrOx), which can be used for pH measurement. The ion-selective electrode 580 may also be an AgCl electrode covered by an ion-selective membrane or a self-forming monolayer. The ion-selective electrode 580 may be an AgCl electrode that contacts the electrolyte reservoir and is separated by a sample solution by a glass membrane (thus forming a pH sensor). The ion-selective electrode 580 may be an AgCl electrode in contact with the electrolyte reservoir and separated by the sample solution by a (solid) ion-selective membrane.

本発明の具体例では、２つの電位差が測定される（図５参照）。イオン選択性電極５８０と参照電極５０１との間の第１の電位差Ｖ_１（特定する必要のあるイオン濃度を表す）と、第２電極５９０と参照電極５０１との間の第２電位差Ｖ_２（参照電解液とバルク溶液との間のイオン濃度差、それ故に、参照電極５０１のドリフトの測定値に比例する）。第２の電位差Ｖ_２が時間をかけて測定された場合、それは参照電極５０１のドリフトを表示する。 In an embodiment of the present invention, two potential differences are measured (see FIG. 5). A first potential difference V ₁ between the ion-selective electrode 580 and the reference electrode 501 (representing the ion concentration that needs to be specified) and a second potential difference V ₂ between the second electrode 590 and the reference electrode 501 ( The difference in ionic concentration between the reference electrolyte and the bulk solution, and therefore proportional to the measured drift of the reference electrode 501). When the second potential difference V ₂ is measured over time, it displays a drift of the reference electrode 501.

本発明の具体例では、参照電極５０１のドリフトは、第２電極５９０と参照電極５０１との間の第２の電位差Ｖ_２を用いて、イオン選択性電極５８０と参照電極５０１との間の第１の電位差Ｖ_１を修正することにより補正しても良い。実施のそのような方法は、同じ出願人の、同時係属するＥＰ１４１９９２７７．６に詳細に述べられており、参照されることによりここに組み込まれる。 In embodiments of the present invention, the drift of the reference electrode 501 by using the second potential difference V ₂ between the reference electrode 501 and the second electrode 590, first between the reference electrode 501 and the ion-selective electrode 580 The correction may be made by correcting the potential difference V1 of ₁ . Such a method of implementation is described in detail in the same applicant's co-pending EP 14199277.6, which is incorporated herein by reference.

本発明の具体例では、ドリフトの補償は、単に計算により、例えば第１の電位差から測定した第２の電位差を引くことにより、常に行われる。しかしながら、予想されるドリフト挙動を考慮するより複雑な解決方法もある。ドリフトは、遅い速度で発生することが予想される。遅いドリフトを補償する場合、第２電極と参照電極との間の第１および／または第２の電位差の速い変化は、それゆえに無視される。それらは、例えば、異なる参照イオン濃度を有する他のバルク溶液で、バルク溶液を置き換えることにより行うことができる。 In embodiments of the present invention, drift compensation is always performed simply by calculation, for example, by subtracting the measured second potential difference from the first potential difference. However, there are also more complex solutions that take into account the expected drift behavior. Drift is expected to occur at a slow rate. When compensating for the slow drift, fast changes in the first and / or second potential difference between the second electrode and the reference electrode are therefore ignored. They can be performed, for example, by replacing the bulk solution with another bulk solution having a different reference ion concentration.

Claims

A reference electrode for immersion in a bulk solution,
A reservoir having a reservoir wall defining a volume (Vres) of the reservoir filled with the electrolyte;
An electrode in contact with the electrolyte in the reservoir;
The volume of the electrolyte in the reference electrode is on the order of microliters,
The reservoir is closed except for the presence of at least one pore in at least one reservoir wall, wherein the at least one pore is filled with an electrolyte and the electrolyte in the reservoir and Applied to allow ionic contact between the electrode and the bulk solution immersed therein ;
At least one of the pores has a meandering structure;
The ratio between the product of the cross-sectional area of the pore (A) and the diffusion coefficient of the ions in the electrolyte (D) and the product of the pore length (L) and the volume of the reservoir (Vres) is: Less than 1: Reference electrode characterized in that (D * A) / (L * Vres) <1, and the volume (Vres) of the reservoir is not more than 20 μL .

Wall of the reservoir includes a substrate, disposed side walls on a substrate, comprising a cap disposed on the sidewalls, the substrate, side walls, and caps to claim 1, characterized in that close together reservoir Reference electrode as described.

3. The reference electrode according to claim 2 , wherein the at least one pore is located in the substrate.

The reference electrode according to claim 2 , wherein the at least one pore is arranged in the side wall.

The reference electrode according to any one of claims 2 to 4 , wherein the at least one pore is disposed in the cap.

The reference electrode according to any one of claims 1 to 5 , wherein the electrode is formed of AgCl.

Electrode, the reference electrode according to any of claims 1 to 5, characterized in that it is formed from a metal oxide or metal.

The reference electrode according to claim 1 , wherein the electrolyte is a hydrogel.

A method of manufacturing a reference electrode, comprising:
Forming a reservoir, wherein the reservoir includes pores, whereby the reservoir is open on one side;
Providing an electrode in a reservoir;
Filling the reservoir with the electrolyte;
After that, only including the step of closing the reservoir, the,
The step of producing a reservoir containing pores comprises:
Etching pores on the first surface of the substrate by means of deep reactive ion etching;
Applying a protective layer at least inside the pores, wherein the protective layer does not cover the second surface of the substrate remote from the first surface;
Applying a hydroxide etching step to the second surface of the substrate;
Removing the protective layer to open the pores thereafter .

The step of producing a reservoir containing pores comprises:
Obtaining a substrate;
Sealing the side walls on the substrate, The method according to claim 9, characterized in that it comprises the steps of such pores are present in the sidewalls.

10. The method of claim 9 wherein closing the reservoir comprises placing a cap over the reservoir and sealing, or sealing the reservoir by means of glove-top droplets or epitaxy. 11. The method according to 10 .

An ion sensor for detecting an ion concentration in a bulk solution,
The reference electrode according to any one of claims 1 to 8, a first electrode having ion selectivity with respect to ions to be measured, and a different ion with respect to reference ions in the electrolytic solution or with respect to the ions to be measured. A second electrode having ion selectivity for ions;
The first electrode and the second electrode are adapted to be in direct contact with the bulk solution when the ion sensor is immersed in the bulk solution;
The ion sensor further includes a second electrode for determining a first potential difference between the first electrode and the reference electrode as a measurement of the ion concentration in the bulk solution, and for compensating for drift of the reference electrode. An ion sensor including a controller for correcting a first potential difference between a first electrode and a reference electrode using a second potential difference between the first electrode and the reference electrode.